鈦和鎂晶格再取向及合金化效應(yīng)的第一原理研究.pdf

1、密排六方結(jié)構(gòu)中的{10(1)2}<10(1)(1)>孿晶由于可以提供獨立的滑移系而成為一個重要的變形方式。這一孿生模式在改善密排六方結(jié)構(gòu)及其合金的塑性上具有顯著的實際意義。不論在{10(1)2}孿晶豐富的鎂中和相對較少的鈦中，都能夠通過抑制或者促進(jìn)這一孿晶的產(chǎn)生而改善強度或者塑性。
　　與傳統(tǒng)的孿生模式不同，近期的研究工作在Mg、Ti和Co中確定了一種新的變形模式（晶格再取向）。這一變形模式產(chǎn)生的基體與孿晶的取向關(guān)系與傳統(tǒng){10(

2、1)2}孿晶類似，其成核是借助晶格局部直接取向轉(zhuǎn)變的方式進(jìn)行的，從而產(chǎn)生一個基面/柱面界面。轉(zhuǎn)變前后垂直的取向關(guān)系和基面/柱面的轉(zhuǎn)換對合金設(shè)計具有重要的啟示。但是有關(guān)這一變形模式的一些重要細(xì)節(jié)問題，比如轉(zhuǎn)變路徑以及合金化影響等仍然需要明確。因此本文采用第一原理計算方法，對與晶格再取向變形模式緊密相關(guān)的一些問題進(jìn)行了研究。
　　首先，采用高通量第一原理計算的方法，在一系列具有密排六方結(jié)構(gòu)的金屬，包括Be、Mg、Sc、Ti、Co、Y、

3、Zr、Tc、Ru、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Hf、Re和Os中，系統(tǒng)研究了與{10(1)2}孿晶相關(guān)的晶格再取向轉(zhuǎn)變的能量路徑。結(jié)果表明，不同密排六方金屬中再取向過程需要不同的激發(fā)能，在這些被研究的體系中，Mg中晶格再取向過程需要的激發(fā)能最低，而Os最高。所有密排六方金屬中的晶格再取向過程所需要的能量按照Mg、Gd、Tb、Dy、Zr、Tc、Ti、Ho、Y、Co、Er、Sc、Be、Tm、Lu、Hf、Re、Ru和Os依次增加

4、。這些結(jié)果解釋了為何晶格再取向模式能夠在Mg的納米柱壓縮實驗中觀測到，但是只能在Ti的高應(yīng)變速率的原子尺度模擬中出現(xiàn)。
　　然后，本文將鈦和鎂中的晶格再取向分解為剪切變形和原子重排兩個自由度。結(jié)果表明，在鎂中原子重排部分貢獻(xiàn)了激發(fā)能的主要部分;但是在鈦中，當(dāng)相對剪切變形量足夠大時，隨后的原子重排部分為能量下降過程。根據(jù)這一區(qū)別，將所研究的19種密排六方金屬分為兩組。第一組包括Ti、Tc、Be、Y、Gd、Tb、Dy、Ho、Zr、Er

5、、Sc、Hf、Lu和Tm，在這一組中如果相對剪切變形量達(dá)到一個適當(dāng)?shù)某潭龋ㄖ辽偈强偧羟凶冃瘟康?0％），隨后的原子重排部分就是一個能量下降過程;第二組包括Mg、Co、Ru、Re和Os，在這一組中不論相對剪切變形量達(dá)到多少，隨后的原子重排部分都是能量升高過程。這些結(jié)果定性的解釋了目前密排六方金屬中所觀察到的現(xiàn)象，闡明了對{10(1)2}孿晶行為的一個廣義理解，并以改善材料性能作為目的。
　　隨后，本文詳細(xì)研究了合金元素對晶格再取向的

6、影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)合金化可以有效減少晶格再取向過程所需要的能量。在合金化后的Ti中，這一降低作用表現(xiàn)的更加明顯，并且合金元素的某些性質(zhì)和晶格再取向過程所需要的能量之間存在明顯的負(fù)相關(guān)。當(dāng)相對剪切變形量大于65％時，任何一種合金元素都可以使Ti中原子重排的能壘消失;但是對于Mg來說，僅有La、Zr和Mn的添加可以在相對剪切變形量大于95％時，使Mg中原子重排的能壘消失。這一結(jié)果表明，在Mg及其合金的晶格再取向過程所需要的能量中，原子重排所需要

7、能量總是一個相當(dāng)重要的組成部分。因此，相對于Ti及其合金，在相對較低溫度下，原子重排是Mg及其合金中孿晶形成的阻礙，導(dǎo)致其{10(1)2}孿晶具有溫度依賴的特點。
　　在密排六方金屬中，作為一個重要因素的c/a比與材料的許多性質(zhì)密切相關(guān)，比如在結(jié)構(gòu)材料中極其重要的位錯和孿生行為。因此，本文同樣采用第一原理方法高通量計算了鈦合金和鎂合金中的c/a比。其結(jié)果表明，合金元素對Ti和Mg的c/a比產(chǎn)生周期性的影響。在所研究的合金元素中，M